JVM学习（三）虚拟机类加载机制

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概述

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化的过程都是在程序运行期间完成的。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分同城为连接（Linking）。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。

虚拟机规范严格规定了5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前就开始），有且仅有这5种触发进行初始化的场景。：

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的场景是：使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期间把结果放入常量池的静态字段除外），以及调用一个类的静态方法的时候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_InvokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，被称为被动引用。

下面举3个被动引用的例子：

  1. 通过子类引用父类静态字段不会导致子类初始化，具体代码见NotInitialization.java
  2. 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化，具体代码见NotInitialization2.java
  3. 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。具体代码见NotInitialization3.java

类加载的过程

类加载的过程包括加载、验证、准备、解析和初始化这5个部分。
类加载过程

加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

虚拟机规范的这3点要求其实并不算具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。比如第1点并没有知名二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确的说是并没有指明要从哪里获取、怎样获取。许多剧组轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如：

  • 从ZIP包中读取，这很常见，最终成为JAR、EAR、WAR格式的基础
  • 从网络获取，这种场景的最典型应用是Applet
  • 运行时计算生成，这种场景使用的最多的是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定的接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
  • 由其他文件生成，如JSP，由JSP文件生成Class类。
  • ……

数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但是数组类和类加载器仍然有很密切的联系，因为数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型）最终要靠类加载器去创建，一个数组类（下面简称为C）创建过程如下:

  1. 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归的采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
  2. 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
  3. 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组的可见性将默认为public。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

文件格式验证

这一阶段主要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶段的验证可能包括下面这些验证点：

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头
  • 主、次版本是否在当前虚拟机的处理范围之内
  • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型
  • 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量
  • ……

这一验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会直接操作字节流。

元数据验证

这一阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：

  • 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类）
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类。
  • 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口之中要求实现的所有方法。
  • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一直，但是返回值类型不同等）。
  • ……

字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二个阶段对元数据信息中的数据类型做完校验之后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的安全事件。例如：

  • 保证任意时刻改操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，不会出现这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按照long类型来加载入本地变量表中。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体意外的字节码上
  • 保证方法体重的类型转换时有效的。

符号引用验证

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段–解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要检验以下内容：

  • 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能够找到对相应的类。
  • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、 default）是否可被当前类访问。

符号引用验证的目的是保证解析动作能正常执行。

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对程序运行期间没有影响）的阶段。如果所运行的全部代码（包括自己编写的以及第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

这里有两点需要注意：

  1. 这时候进行内存分配的只是类变量（被static修饰的变量），不包括实例变量，实例变量将在对象实例化时，随着对象一起分配在Java堆中。
  2. 这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

public static int value = 123;

变量value准备阶段过后的初始值是0，而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value复制为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value复制为123的动作将在初始化阶段才会执行。这里的零值跟成员变量的默认初始化值是一样的。

上面说的“通常情况”下初始值是零值，那相对就会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量的定义为：public static final int value = 123;那么准备阶段过后value的值为123。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程。

  • 符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以使任何形式的字面量，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同，但是它们接受的符号引用必须都是一致的。因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件中。
  • 直接引用：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那么引用的目标必然已经出现在内存中。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

类或接口的解析

假设当前代码所处的的类为D，如果要把一个从未解析过的符号N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机需要完成整个解析的过程需要以下3个步骤

  1. 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，有可能触发其他相关类的加载动作。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
  2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符回事类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表次数组维度和元素的数组对象。
  3. 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确定D是否具备对C的访问权限。如果不具备访问权限，将会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段解析

如果字段所属的类或接口解析成功，那将这个类用C表示，对C进行后续字段的搜索。

  1. 如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  2. 否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  3. 否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  4. 否则，查找失败，抛出java.lang.NosuchFieldError异常。

如果查找过程中成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的权限验证，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

类方法解析

如果类方法所属的类或接口的符号引用解析成功，那将这个类用C表示，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索：

  1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibaleClassChangeError异常。
  2. 如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和字段描述符都能与目标相匹配的方法，如果有，则返回这个方法的直接索引，查找结束。
  3. 否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  4. 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，则说明C是一个抽象类，这是查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
  5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

最后如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

接口方法解析

如果接口方法所属的类或接口符号引用解析成功，那将这个接口用C表示，接下来虚拟机会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索：

  1. 与类方法不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  2. 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  3. 否则，在接口C的父类接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  4. 否则，宣告查找方法失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。

在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主管计划去初始化变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

  • ()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的复制动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。
  • ()方法与类构造函数（或者说实例构造器()方法）不同，它不需要显示的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()肯定是java.lang.Object。
  • 由于父类的()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
  • ()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
  • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父类接口的()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
  • 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，知道活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有很耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，一遍让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块被称为“类加载器”。

类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达的更通俗一点：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类时同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要它们的加载器不同，那这两个类就必定不同。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）和其他的类加载器。

从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下3中系统提供的类加载器：

  1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机是别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。
  2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用类加载器。
  3. 应用程序加载器（Application ClassLoader）这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器时ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器，它负责加载用户路径（classpath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型

我们的应用程序都是由着3种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系：启动类加载器<-扩展类加载器<-应用程序类加载器<-自定义类加载器。这种层级结构被称为双亲委派模型，双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里的加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系出现，而是使用组合的关系来复用父加载器代码。

双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类夹在其中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，自加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。比如java.lang.Object，它存放在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都会委派给最顶端的启动类加载器。

破坏双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个强制性的约束，而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，到目前为止，双亲委派模型出现过3次较大规模的“被破坏”情况。

  1. 第一次被破坏是在双亲委派模型出现之前也就是JDK1.2发布之前，在JDK1.0时代，类加载就已经存在。
  2. 第二次“被破坏”是这个模型本身的缺陷导致，双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题，但是存在有的基础类需要调用回用户代码，比如JNDI服务，它的代码由启动类加载器去加载，但它还需要调用独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者（SPI， Service Provider Interface）的代码。未解决这个问题，设计了线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内还未设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。
  3. 第三次破坏是由于用户对程序动态性的追求导致的：代码热替换，模块热部署等，如OSGi，每一个程序模块都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。
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